激光水下激波特性的研究

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本文针对光声效应中的激光声效应进行讨论,分析并对比了激光射入液体中激发声波的四大机制:热膨胀(热弹)、汽化、光击穿、辐射压力。针对在低功率激光激发声场的主要机制热膨胀,文章从理论出发推导出激光射入水中产生激波的特性,建立脉冲激光光束激发水热膨胀产生水下声场的光声转化理想模型。利用该模型研究并得到了了高斯型激光光束入射水中得到的声场的时域特性以及频域特性,主要包括脉冲响应,声压分布,方向特性,半功率宽度等。同时将理论值与现有的实验数据进行对比拟合来检验该理论模型是否符合实际。针对较高功率的激光激发声场的汽化机制,围绕激发气泡的两种情况:单气泡和气泡群展开研究。先仿真得到产生气泡所需的激光能量密度阈值,以及气泡大小与激光聚焦深度、激光波段的关系。后仿真得到单气泡和气泡群两种情况下的声场特性对比、方向特性对比。更高功率激光将引起水分子电离,水体击穿产生等离子体爆破产生水下激波。文章先在前人基础上计算得到光击穿阈值,远大于汽化效应阈值。后计算等离子体长度,进一步计算等离子体体积变化,最终得到声场的变化趋势。全文围绕水下激光光声转换四大机制,以阈值为纽带,将其构建成为具有连贯性的复合机制,并在此基础上讨论激光特性对声场强度、方向性的影响。
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